Hallo Ich brüte gerade über einer Aufgabe von meiner Schule, bei der ich irgendwie nicht weiter komme: Ziel ist es ein 2-Stufiger Verstärker mit Gleichspannungskopplung zu dimensionieren. Dabei soll die Verstärkung möglichst gross sein. Berechnen und so ist kein Problem, nur habe ich bei der Simulation festgestellt, dass mir der DC-Arbeitspunkt mit variirenter Temperatur auch sehr stark schwankt. Soll heissen innerhalb von +10° bis +30° geht Vout von +10V auf etwa 0.5V. Nur wieso? Beide Stufen sind ja Emitter-Verstärker, die jeweils über den Emitterwiderstand stabilisiert sein sollten. Achja, im Schema sind momentan alles errechnete Werte, also nicht wundern, wenns etwas Krumm aussieht. Vorgehen war so: Vout mal auf +5V und Vr6 auf 0.1V (damit die Verstärkung rauf geht. Dann zum PNP zurückgerechnet und hier IC auf 1mA gesetzt. Dann noch das Bias und fertig. Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand und Verstärkung sind in der Aufgabenstellung nicht definiert. Verstärkung soll nur möglichst gross sein. Besten Dank für die Hilfe MFG Patrick
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Verbinde mal das obere Ende vom R1 am unteren Ende von R3 statt Versorgung, (und natürlich neu berechnen für selben Basisstrom), das ist auf jeden Fall stabilisierend. Ansonsten halt Emitterwiderstand erhöhen. Habs mal so ungefähr im Schaltplan korrigiert... Patrick B. schrieb: > Vr6 auf 0.1V Aber etwas mehr als 0.1 V brauchst schon, damit sich da irgendwas stabilisiert :D
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Mit 90 Ohm wirst Du kaum eine Stabilisierung erreichen, das ist viel zu niederohmig. Mach die Werte deutlich größer und schalte einen Elko parallel. Ein pnp als Eingangsstufe ist auch ungünstig, sämtliche Störungen auf der Versorgung addieren sich direkt zur Eingangsspannung. Nimm besser einen npn oder pole die VCC um.
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Ok, habs mal etwas umgestellt: NPN am Eingang und dann die PNP Stufe. Widerstände im Emitter erhöht und die dazugehörenden Spannungen auf 1V angepasst. Die NPN Stufe verschiebt mir den Vbias-Punkt jetzt von ~8.5V bei 0° auf ~8.2V bei 100°. Die PNP verstärkt den Drift aber wieder. Vout wandert von 4.3V bei 0° auf 6.4V bei 100°. Was mache ich sonst noch falsch? @Peter: Klar, die Emitterwiderstände drücken mir momentan noch die Verstärkung, das kann man dann über einen 2. Widerstand und den besagten Kondensator lösen, aber das hat von mir aus gesehen nichts mit der Instabilität mit der Temperatur zu tun.
Patrick B. schrieb: > Ich brüte gerade über einer Aufgabe von meiner Schule, > bei der ich irgendwie nicht weiter komme: > Ziel ist es ein 2-Stufiger Verstärker mit > Gleichspannungskopplung zu dimensionieren. Dabei soll > die Verstärkung möglichst gross sein. > > Berechnen und so ist kein Problem, nur habe ich bei der > Simulation festgestellt, dass mir der DC-Arbeitspunkt > mit variirenter Temperatur auch sehr stark schwankt. > Soll heissen innerhalb von +10° bis +30° geht Vout > von +10V auf etwa 0.5V. Das ist korrekt. Herzlichen Glückwunsch! Du bist soeben -- TUSCH! -- auf DAS erste klassische Problem der Halbleiterschaltungstechnik gestoßen: Die Temperaturdrift! (Das zweite klassische Problem sind die Exemplarstreuungen.) > Nur wieso? Nun ja... kleiner Hinweis: Die BE-Spannung ist temperatur- abhängig. Frage an Dich: Wie wirkt sich das aus? > Beide Stufen sind ja Emitter-Verstärker, die jeweils > über den Emitterwiderstand stabilisiert sein sollten. Das ist auch so. Ohne Emitterwiderstände wäre es noch schlimmer. Frage an Dich: Wie funktionieren die Emitterwiderstände im Detail? Was bewirken sie? > Achja, im Schema sind momentan alles errechnete Werte, > also nicht wundern, wenns etwas Krumm aussieht. Schon okay; macht nix. > Vorgehen war so: Vout mal auf +5V und Vr6 auf 0.1V (damit > die Verstärkung rauf geht. Dann zum PNP zurückgerechnet > und hier IC auf 1mA gesetzt. Dann noch das Bias und fertig. Jaja... bis hierhin ganz einfach. > Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand und Verstärkung > sind in der Aufgabenstellung nicht definiert. Verstärkung > soll nur möglichst gross sein. Jaaa... woher weißt Du, dass Deine Dimensionierung schon das Maximum an Verstärkung ergibt? (Ergibt sie nämlich nicht; je kleiner die Emitterwiderstände, desto größer die Verstärkung. Aber da wächst auch etwas anderes mit...)
Sehr nützlich, dein Beitrag... Ich weiss, das die Mobilität der Elektronen und Löcher stark temperaturabhängig ist, dass VBE etwa -2mV/K (errechnet sich ja aus Sättigungsstrom und der Termospannung) und dass hfe +1%/K hat. So grob. Die genauen Formeln sind mir jetzt zu blöde zum eintippen. Ich weiss auch, was die Emitterwiderstände bewirken sollen, und wie ich die Verstärkung erhöhen kann A=RC/(re+RE). Also RE mit einem parallelen Kondensator kurzschliessen (und ev. noch einen weiteren RE in serie Hinzufügen, damit die Verstärkung dann nicht zu gross wird). Aber die Verstärkung hat doch absolut nichts mit dem Arbeitspunkt und dessen Stabilität zu tun, oder (kann ja sein, dass ich in meiner 4jährigen Lehre und jetzt in dem 2 Semestern Elektrotechnikstudium etwas noch nicht begriffen habe).
Patrick B. schrieb: > Was mache ich sonst noch falsch? Nichts. Dir ist nur die Tragweite des Problems nicht klar: Die Temperaturdrift ist eines DER Grundprobleme in der analogen Transistortechnik. Bist Du ganz sicher, dass Du nebenbei beim Lösen einer Schulaufgabe das hinbekommst, woran sich mancher Ingenieur die Zähne ausgebissen hat? Für das Beherrschen der Temperaturdrift gibt es zwei klassische Lösungen. Die eine hat Peter schon angedeutet: Eine frequenzabhängige Gegenkopplung. Kapazitiv überbrückten Emitterwiderstände sind eine Möglichkeit der frequenzabhängigen Gegenkopplung, es gibt aber noch andere (und bessere). Vorteilhaft an dieser Lösung ist, dass sie technisch sehr einfach zu realisieren ist. Nachteilig ist jedoch, dass sie den Nutzen der gleichspannungs- gekoppelten Stufen in Frage stellt - man hat ja jetzt wieder unterschiedliche Verstärkungen für AC und DC. Für Audio- anwendungen stört das nicht, aber als Messverstärker ist das nicht tauglich. Die andere klassische Lösung für das Driftproblem geht die Operationsverstärkertechnik. Um Dir nicht den Spaß am Lernen zu nehmen, liefere ich hier nur das Stichwort und überlasse es Dir, selbst den Trick zu entdecken...
Bei hoher DC verstärkung wird die Drift leicht zum Problem. Für die einfachen Eingangsstufe kommt man kaum unter die typischen 2 mV/K an TK. Wegen der Verstärkung in der ersten Stufe kann man das auch kaum mit der 2. Stufe kompensieren. Ein eher unpraktischer (aber für eine Simulation brauchbar) weg ist es die 2. Stufe vor allem als Stromverstärkung auszulegen, also kaum Spannungsverstärkung, und dann damit den TK der 2. Stufe zu kompensieren. Die 2. Stufe darf hinder der niederohmigen Stife davor im Prinzip auch einen hohen Strom nutzen. Da zu sind dann aber ein NPN und ein PNP (oder umgekehrt) nicht geeignet weil die Drift der beiden Stufen in die selbe Richtung geht. Möglich wäre die 1. Stufe als Emitterfolger und dann eine Basisschaltung - also zusammen eine Differenzverstärkerstufe. Es ginge aber auch mit 2 NPN Stufen als Emitterschaltung - ist aber mit der DC Kopplung nicht so einfach (der Spannungsteiler zwischen den Stufen wirkt ggf. Kontraproduktiv).
Patrick B. schrieb: > Sehr nützlich, dein Beitrag... Ich habe Deine Antwort leider zu spät gelesen - ansonsten hätte ich auf meine zweite verzichtet (und auf die dritte sowieso...) > Ich weiss, das die Mobilität der Elektronen und Löcher > stark temperaturabhängig ist, dass VBE etwa -2mV/K > (errechnet sich ja aus Sättigungsstrom und der > Termospannung) und dass hfe +1%/K hat. So grob. Richtig. > Ich weiss auch, was die Emitterwiderstände bewirken sollen, > und wie ich die Verstärkung erhöhen kann A=RC/(re+RE). > Also RE mit einem parallelen Kondensator kurzschliessen > (und ev. noch einen weiteren RE in serie Hinzufügen, damit > die Verstärkung dann nicht zu gross wird). Auch richtig. > Aber die Verstärkung hat doch absolut nichts mit dem > Arbeitspunkt und dessen Stabilität zu tun, oder Oh doch. > (kann ja sein, dass ich in meiner 4jährigen Lehre und > jetzt in dem 2 Semestern Elektrotechnikstudium etwas > noch nicht begriffen habe). Das ist ganz offensichtlich so, ja. Gestatte mir drei Anmerkungen: 1) Es scheint mir typisch für der Turbo-Lernen der neueren Zeit zu sein, dass zwar alle Fakten vermittelt werden, der Zusammenhang aber verloren geht. Du weisst alle Fakten, die notwendig sind - bist aber nicht in der Lage, die passende Schlussfolgerung zu ziehen. 2) Du schriebst etwas von einer Schulaufgabe. Da es mir widerstrebt, einem Lernenden die Lösung haarklein vorzukauen, habe ich mich auf grundsätzliche Anmerkungen beschränkt. Eine davon ist: Du hast nichts "falsch" gemacht, sondern bist auf ein grundlegendes praktisches Problem gestoßen. Dieses Problem hatten andere Leute auch schon, und sie haben Lösungen dafür entwickelt. 3) Brecht lässt seinen Galilei sagen: "Eine Hauptursache für die Armut in den Wissenschaften ist meist eingebildeter Reichtum. Es ist nicht ihr Ziel, der unendlichen Weisheit eine Tür zu öffnen, sondern eine Grenze zu setzen dem unendlichen Irrtum." Es mag wohl sein, dass Du einen Zusammenhang zu Deinem eigenen Wissensstand enteckst. Ich habe fertig.
Was immer noch eine weitere Möglichkeit ist, den Arbeitspunkt zu stabilisieren, wäre ein anderer Abgriff des Basispannungsteilers. hab mal eben gegoogelt, und auch eine Seite gefunden wos erklärt ist: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/1102161.htm
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Eine mögliche Lösung für deine Aufgabe, mit einem Betriebsbereich von mindestens 0-70°. Die Temperaturabhängigkeit wird durch R4+R5 bzw. R6+R7 begrenzt. Damit das die Verstärkung nit zu sehr verringert, sind die beiden Elkos dabei.
Ok, allem Anschein nach ist es nicht möglich, dass der Verstärker den DC-Punkt über den Temperaturbereich von 0 bis 100°C auf mV genau einhält. Bin jetzt mitlerweile bei einem Drift von ~1.5V (was ich akzeptiere, aber vieleicht der Lehrer nicht. Dann darf der mir weiterhelfen). Noch was: Ist es nicht möglich bei LTSpice die Phase in einer anderen Farbe (ev. separater Trace, nur welcher Befehl muss ich dazu nutzen) darzustellen oder zumindest diese fetter zu plotten? Das wird ja automatisch hinzugefügt, aber wirklich sichtbar ist anders...
Um geringere Temperaturverschiebung zu bekommen, kannst du einen Differenzverstärker aufbauen. Das ergibt dir aber einen Differenzausgang und keinen massebezogenen. Um den Massebezug wieder herzustellen, sind dann weitere Transistoren notwendig, wie in einem Operatiosverstärker-IC.
Die Differenzstufe geht in erster Näherung auch mit nur einem Ausgang. Den 2. gegenphasigen Ausgang könnte man auch noch haben, muss ihn aber nicht nutzen. Es ist noch eine Frage in wie weit man Stromquellen durch eine hohe Spannung und einen großen Widerstand ersetzt - zumindest in der Simulation kann man das sehr weit treiben. Interessant ist weniger die Drift bezogen auf den Ausgang, sondern eher bezogen auf den Eingang. Die Kern-Frage ist da halt, wie wird man deutlich besser als die 2 mV/K von Ube. Eine akzeptable Lösung sollte so etwas wie eine Drift von weniger als 0.1 mV/K (bezogen auf den Eingang) und eine über 100-fache Verstärkung bringen.
Spannend wär, eine solche Schaltung mit weniger als 7 Transistoren zum Laufen zu bekommen. (Hier ist der Grenzwert nur 2 Transistoren... besser in einem neuen Fred..)
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Ulrich H. schrieb: > Es ist noch eine Frage in wie weit man Stromquellen durch > eine hohe Spannung und einen großen Widerstand ersetzt - Hmmm. Warum sollte man das wollen? > zumindest in der Simulation kann man das sehr weit treiben. Ja... in der Praxis kracht es dann irgendwann, wenn man den Transistor zusteuert, weil er die Spannung nicht mehr sperren kann bzw. die Verlustleistung nicht verträgt. > Interessant ist weniger die Drift bezogen auf den Ausgang, > sondern eher bezogen auf den Eingang. Die Kern-Frage ist > da halt, wie wird man deutlich besser als die 2 mV/K von Ube. Ich kann Dir grad nicht folgen. Die Standard-Lösung ist doch der Differenzverstärker!?
Operationsverstärker haben wir auch schon nur aus Transistoren und Fets aufgebaut, nur ist hier nicht die Aufgabe einensolchen zu bauen, sondern ein 2-Stufiger Verstärker mit Gleichspannungs-Kopplung. Also so wie ich das sehe bekomme ich mit dieser Einschränkung keine bessere Stabilisierung, oder?
Je nachdem wie man 2 Stufige Verstärkung interpretiert, kann man die Differenzverstärkerschaltung auch als 2 Stufige Verstärkung interpretieren: ein Emitterfolger und eine Basisschaltung dahinter. Das ist der logische Weg um mit 2 Transistoren eine driftarme DC verstärkung zu erreichen. Die übliche Stromquelle an den Emittern kann man halt durch einen Widerstand und eine relativ große negative Spannung annähern. Die Transistoren sehen die Spannung nicht - das können also auch ruhig -100 V oder mehr sein - vor allem in der Simulation. Die andere Lösung wären 2 Stufen als NPN Emitterschaltung: die 1. Stufe mit nur etwa 3 facher Verstärkung, und dann als Trick ein Teiler 1:3 dahinter. Mit dem Teiler von etwa 1/3 sollte man mit dem DC Level ungefähr hinkommen. Die ersten Stufe zusammen mit dem Teiler gibt nur eine -1 fache Verstärkung mit den typischen - 2mV/K TK (bezogen auf den Eingang) bzw. +2mV /K bezogen auf den Ausgang. Damit kann man dann den Tk der 2. Stufe kompensieren kann - allerdings ist der Abgleich deutlich schwieriger als bei der schön einfachen Differenzstufe. Die Lösung einmal mit NPN und einmal mit PNP als Emitterschaltung ist jedenfalls eine sehr schlechte Wahl.
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